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無線充電異軍突起—紅外線無線充電
 

【作者: 盧傑瑞】   2018年01月30日 星期二

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根據市調機構IHS iSuppli統計,2013年無線充電市場規模僅約2億美元,但未來4年將呈40倍成長,2018年達到80億美元。而全球無線充電接收器及發送器市場,可望從2013年的2,500萬個成長到2023年的17億個。目前全球包括的WPC(Wireless Power Consortium),PMA(Power Matters Alliance),以及A4WP(Alliance for Wireless Power)的三大無線充電陣營,正積極的各顯所能,企圖在這個80億美元的市場占得一席之地。其中,A4WP主要是由英特爾、高通、三星帶頭成立。但是,目前無線充電尚未普及,不僅僅是技術上的問題,其中更包含了檯面下的政治因素。


目前無線充電主流的技術有磁共振及磁感應兩種,但是仍有當多問題需要克服,例如,如何支援不同陣營之間傳送器的問題,因此有部分業者要求,提供WPC的Qi加上PMA磁感應標準的無線充電發射器及接收器。


此外,陣營之間也開始展開合縱連橫的策略聯盟,就像PMA在2014年1月與第三個無線充電陣營A4WP簽訂合作備忘錄,透過A4WP的共振式充電技術,補足WPC只有磁感應技術的不足。


電流磁效應存在影響健康疑慮

但是,由於大多的無線充電,大多都是利用線圈的電流磁效應產生磁場,再透過電子產品內的線圈產生感應電流,再將電流接續至電池的原理來產生電力。


但是由於利用發送電磁產生效應的方式,一直讓市場上出現會對健康產生影響疑慮,並且為了不會對於健康產生任何影響,目前各無線充電裝置的研發人員,都會將所發送出來的磁場能量減至最低,在傳送距離方面,僅僅幾毫米到幾十公分,如此一來,卻又大大限縮了無線充電可以隨時隨地充電的期待性,只能將支援電流磁效應充電的電子產品,擺置在特定的機構上進行充電,而無法達到隨時隨地的理想。因此,除了電流磁效應充電技術之外,全球的工程師也都竭盡所能的開發更新、更安全、更方便的無線充電技術。


紅外線波長的應用,不僅僅可以作為通訊、農業栽植、醫療、監視照明,現在還已經發展出可以用來作為電子產品的充電介質。以色列Wi-Charge在3年前取得專利之後,便開始向全世界發表利用紅外線來進行充電的技術,不僅僅為充電這個動作帶來更多便利性,並且也達到了更加安全的充電方式。


Wi-Charge只有單純的利用了傳送器(Transmitter)與接收器(Receiver)這兩個單元結構,再加上太陽能充電的概念,就可以在連接上傳統的AC?DC電源或者是USB,就可以達到100平方米的範圍內,都夠在使用單一個傳送器(Transmitter)下,提供無線充電的能力。而接收器(Receiver) 的部分,則是需要內建在各個電子產品的機構設計內,或者是設計成手機的保護套,然後再透過Micro-USB或Lightning標準的連接器,讓Android以及iPhone手機進行充電(圖1)。



圖1 : 透過紅外線與發電單元可以消除電磁波充電的健康疑慮(source:Wi-Charge)
圖1 : 透過紅外線與發電單元可以消除電磁波充電的健康疑慮(source:Wi-Charge)

紅外線無線充電傳送距離長達10公尺

當內建有該接收器機制的電子產品進入到傳送器的涵蓋範圍內時,傳送器能夠自動辨識並且配對連接,而傳送距離長達10公尺。當完成識別之後,傳送器就會發送出特定波長的紅外線。而接收器在接受來自傳送器所發送的紅外線,並且利用內建的太陽能模組來進行發電,達到不需要線纜的無線充電。


由於傳送器是必須發現以及成功辨識接收器的存在,才會對該特定角度發出紅外線,所以並不會有電力浪費的情況發生。而當電子產品的電池充電達到滿載時,接收器就會停止充電的動作,不至於發生過度充電的情況。此外,當該區域內有數個支援Wi-Charge的電子設備或產品,也都能夠藉由該單一傳送器,進行同時充電。


Wi-Charge是利用LED和反射鏡的原理,讓紅外線形成類似雷射光束,再透過接收器上的發電單元和電源電路,來產生電子產品或電池所需要電力(圖2)。具體而言是,利用2片反射鏡包圍著LED,從LED所放射出來的光子,透過2片鏡子的重複反射,形成較窄的光束(為奈米光束)(圖3)。



圖2 : 從LED所放射出來的光子,透過2片鏡子的重複反射。(source:Wi-Charge)
圖2 : 從LED所放射出來的光子,透過2片鏡子的重複反射。(source:Wi-Charge)

圖3 : 讓LED所放射出來的光子形成較窄的奈米光束(source:Wi-Charge)
圖3 : 讓LED所放射出來的光子形成較窄的奈米光束(source:Wi-Charge)

之後,光束再透過一片半透明的反射鏡,來形成類似雷射的光束,再利用這些類似雷射的光束,照射在接收器的發電單元上進而產生電力(圖4)。



圖4 : 透過一片半透明的反射鏡,來形成類似雷射的光束,進而讓接收器產生電力(source:Wi-Charge)
圖4 : 透過一片半透明的反射鏡,來形成類似雷射的光束,進而讓接收器產生電力(source:Wi-Charge)

不過,如果只是單純的利用這樣的原理會出現一些問題,那就是這些類似雷射的光束如果沒有直接照射在接收器上的話,就會出現發電無效的狀態,因此會產生受限於傳送器和接收器彼此間相對角度的缺點。


因此,對於這樣的問題點,Wi-Charge有2個改善的方式,第一是在機構上又多加了一片半透明的鏡子,來擴大光束的寬度,但是這僅僅能擴大部分發送寬度,當在處於平行相對位置的傳送器與接收器中間,暫時出現障礙物的話,還是會有遮擋住紅外線的行進路線(圖5),而無法持續產生電力。


第二,更進一步的,Wi-Charge將傳送器和接收器所使用的鏡片的反射面改為具有曲面型態,透過這些曲面的鏡片,就能夠再一次的擴大傳送角度和接收的角度,而不受限必須傳送器和接收器處在平行的位置才能夠進行發電。



圖5 : 當傳送器與接收器中間,出現障礙物的話,會出現無法續持續發電的缺點。(source:Wi-Charge)
圖5 : 當傳送器與接收器中間,出現障礙物的話,會出現無法續持續發電的缺點。(source:Wi-Charge)

透過這樣的改善,讓此一技術的使用者,只要一進入傳送器的涵蓋範圍後,就能夠立即讓支援此一技術的電子產品開始進行充電(圖6)。



圖6 : 透過這樣的改善可以讓使用者無需考慮角度問題,在毫無麻煩下,讓電子產品自動充電。(source:Wi-Charge)
圖6 : 透過這樣的改善可以讓使用者無需考慮角度問題,在毫無麻煩下,讓電子產品自動充電。(source:Wi-Charge)

家中安裝了紅外線充電的傳送器時,當回到家之後,只要把支援Wi-Charge充電的手機或電子產品隨意一放,就可以自動進行充電,根本無須在意手機或電子產品的擺放角度。


與前述電流磁效應充電所不同的是,由於Wi-Charge並非是使用磁場效應,因此就不存在電磁波對健康傷害的疑慮,而是遵循著雷射產品的國際安全規範「IEC 60825-1」中第一級的標準而開發。此外,如果使用者將手或身體覆蓋在接收器上的話,機構也會自動停止充電的動作,這也體現了另一層次的充電安全性。


根據光學領域的資料,紅外線的範圍占了太陽光光譜的50%,也是屬於自然光的一種,因此根據分析研究,紅外線的安全性比高頻高了500倍,更比超音波高出了3000倍。


因為是紅外線領域,無須取得FCC的許可

目前,Wi-Charge將此一技術應用在LED燈泡之中,在燈泡內安裝「分布式共振器」,就可以像Wi-Fi一樣,在10公尺內收到訊號都可以充電,有點類似遙控器的紅外線,只不過強度高上百倍。只要在Wi-Charge傳送器的範圍內,無論是在使用中或是待機狀態,便能自動且持續地接收來自燈泡中的紅外線,而在燈泡內安裝Wi-Charge系統,就像更換燈泡一樣簡單,充電速度甚至可達到一般的充電器速度。目前,Wi-Charge的發射器模組尺寸約為17mmx17mm,未來將計畫把尺寸縮減至10 mm平方以下。


Wi-Charge利用這項技術所開發的產品,已經獲得美國食品藥品監督管理局(Food and Drug Administration, FDA)的核准,這表示該產品距離上市更近了一步。Wi-Charge的創始人之一莫爾(Ori Mor)表示,基於歷史原因,在美國與紅外線相關的裝置是由FDA審核,而非聯邦通信委員會(Federal Communications Commission, FCC)。而採用電流磁效應的無線充電,並非是紅外線領域,這樣就必須取得FCC的許可。而電流磁效應的無線充電比Wi-Fi和藍牙,需要消耗更多電力,所以要達到FCC的要求相信是蠻較困難的。預計在今年就會有第一代產品上市。


每個傳送器可以在10公尺的範圍內對數個終端設備配對,並且可以傳輸高達3W的功率,足以為智慧型手機充電。Wi-Charge在市場布局的方面,計畫將從商用公共場所開始,例如在咖啡館這樣的公共場所當中,部署多個發射器,以保持對所有客戶的設備充電,從而免去使用雜亂的電線進行充電。


然而,如果發射機和接收機連接中斷,系統將需要一些時間來重新配對並且鎖定,當然電源效率或許不如線纜或者電池更好,但優點是用戶無需在特定的位置為設備充電。將來,用戶可以使用其技術來無線為家庭安全攝影機等設備供電。


Wi-Charge獲得CES2018最佳創新獎

在2018年,Wi-Charge在CES展覽會現場展示了3款Wi-Charge傳送器產品,從外觀看起來,這3款Wi-Charge傳送器是再普通不過的LED照明產品(圖7),但是如果把這款看起來相當普通的照明燈具安裝在天花板上,並且將支援Wi-Charge技術的手機、筆記型電腦或電子產品靠近其光罩範圍內,馬上就可以發現手機或電子產品開始自動充電,此時這3款照明燈具搖身一變立刻成為無線充電的電力傳送主角。


此外,Wi-Charge在現場也將接收器裝在小火車上,而不斷行進的小火車就是接收來自LED燈具上的紅外線而產生電力,只要當手放在小火車上方,遮住來自LED燈具上的紅外線,小火車就會馬上停下來(圖8)。Wi-Charge更以這項技術獲得CES2018的最佳創新獎。



圖7 : Wi-Charge在展覽會現場展示了3款內建傳送器的LED照明燈具(source:iPhone Mania)
圖7 : Wi-Charge在展覽會現場展示了3款內建傳送器的LED照明燈具(source:iPhone Mania)

圖8 : 當手放在小火車上方,遮住來自LED燈具上的紅外線,小火車就會馬上停下來。(source:iPhone Mania)
圖8 : 當手放在小火車上方,遮住來自LED燈具上的紅外線,小火車就會馬上停下來。(source:iPhone Mania)
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